1. Sissejuhatus pulbermetallurgiasse
Lauri Kollo
MTX0100 Pulbermetallurgia ja pindamine

2. Sisukord Üldiseloomustus Tehnoloogia ülevaade
Võrdlus teiste tootmisprotsessidega
PM tehnoloogiline skeem
Pulbrite saamine
Pulbrite ettevalmistamine vormimiseks

3. Ülevaade
Termini “pulbermetallurgia “ all mõistetakse teadus- ja tootmisharu, mis tegeleb metallide ja nende sulamite, ühendite, samuti mittemetalsete materjalide pulbrite saamisega ja nendest materjalide ja toodete valmistamisega.
Pulbermaterjalid on materjalid, mis saadakse pulbertehnoloogia teel.
Metallide tehnoloogiate hulgas on pulbermetallurgia üheks kõige mitmekülgsemaks tootmisharuks.

4. Ülevaade
Pulber – peenestruktuuriline, tahke aine, mille osakese suurus on väiksem kui 1 mm.
Pulbriosakeste kogumi käitumine on midagi vahepealset vedelikule ja tahkisele.

5. Ajalugu 3000 e.kr. Egiptuses valmistatakse terasepulbritest tööriistu
2000 e.kr. Lähis-Idas rauapulbrite sepistamine käsnrauast
Kullapulbrist valmistatud ehted – 1300 e.kr. vahemeremaades
Damaskuse teras – 540 a.
Puudusid kõrged temperatuurid
Inkad – kullapulbrist ehete valmistamine, Delhi käsnrauast monument 300 AD

6. Tööstusrevolutsioon 19. saj. esimesel poolel Pb tiiglid, mündid
1910. volframtraat hõõglampidele
1920. isemäärivad laagrid
1925. kõvasulamid
1960. detailid autotööstusele
1980. lennuki reaktiivmootori turbiinid
Algselt kasutati PM kohtades, kus teised meetodid olid raskendatud või võimatud. Samuti kohtades, kus põhiküsimuseks hind. Sajandi lõpus ja 21 sajandi alguses on aset leidnud muutus – pulbermaterjale kasutatakse valdkondades, kus on vaja äärmiselt kõrgeid materjali omadusi – PM titaanisulamid, supersulamid, alumiiniumi pm jne.

7. PM volframniit hõõglambile

8. Pulbermetallurgia kasutamine
Konstruktsioondetailide valmistamiseks asendamaks tradit­sioonilisi valmistamisviise (valamine, sepistamine jne). Reeglina saadakse märgatav materjalide, energia ja tööjõu kokkuhoid ning alaneb toote omahind.
Eriomadustega materjalide saamiseks, mida pole sageli võimalik valmistada traditsiooniliste valmistamisviisidega (poorsed materjalid, pseudosulamid, kermised jne).

9. PM valikukriteeriumid

10. Pulbrist detailiks Pulber Protsess Omadus Seadmed Katseta mine
Mikrostruktuur
suurus
keemiline koostis
kuju
voolavus
tootmine
Seadmed
vormimine
stantsimine
paagutamine
ekstrudeermine
sepistamine
kuumpressimine
Katseta
mine
tihedus
tugevus
plastsus
juhtivus
magnetomadused
mikrostruktuur
Pulber
Protsess
Omadus
Protsesside juures tuleb tähelepanu pöörata pulbrite omadustele – nende koostis, terasuurus, voolamine. Seejärel võimalused nendest detilide valmistamiseks.

11. Pulbermaterjalide tootmisskeemi1 2 3 4 5
6. HIP 7 8
Pressimine - paagutamine
Kahekordne pressimine-paagutamine
Kaudne vormimine
Survevaba paagutamine
Kuum-pressimine
Konteineris
Konteinerivaba
Konteinerivaba, Sinter/HIP
Pulbri sepistamine
Infiltreerimine
Kompakteerimine (pressvormis, isostaatiline, injektsioonvormimine, lobrivalu, ekstrudeerimine)
Esimene kompakteerimine
Kompakteerimine
Vormimine (pulbri valamine, vibreerimine)
Kompakteerimine (pressvormis, isostaatiline või survevaba vormimine)
Kompakteerimine (pressvorm)
Kompakteerimine (pressvormis või isostaatiline)
Eelpaagutamine (plastifikaatori eemaldamine)
Esimene paagutamine
Eelpaagutamine (tugevuse suurendamiseks)
Konteineri täitmine (hermeetiline õhuke terasleht)
Kuumutamine vaakumis, tõstmaks tihedust (TT>99.5%)
Paagutamine (peab säilima lahtine poorsus)
Mehhaaniline lõiketöötlemine (lõppvormi andmine)
Paagutamine (vedel- või tahkefaas-)
Teine kompakteerimine; Teine paagutamine
Paagutamine
Kuumpressimine (grafiitpressvorm)
Kuumisostaat-pressimine
Paagutatud detaili kuumisostaat-pressimine
Gaasisurve avaldamine paagutus-temperatuuril
Paagutamine või soojendamine
Kalibreerimine
Kuupsepistamine (pressvormis, >>95%TT)
Infiltreerimine (metalli või polümeeriga)
Viimistlemine
Näited:
Mootori osad, magnetid, kontaktorid, filtrid, kõvasulamid, tehnokeraamika
Kõrgtugevad mootori komponendid
Kõvasulamid, tehnokeraamika
Filtrid, membraanid
Kõvasulamist tõmbesilmad, eriomadustega keraamika, PM detailid
Eritugev tehnokeraamika, jt pulbermaterjalid. Valmisdetaili või poolproduktina
Kõvasulamid, erimaterjalid, defektieemaldus
Kõvasulamid, erikeraamika
Kõrgtugevad legeeritud mootori elemendid
Koormust taluvad elektrikontaktid, laagrid, kõrgtugevad mootoriosad

12. PM, jagunemine materjaligruppide kaupa
Konstruktsioonimaterjalid (terased) 95%
Muud %
Pressvormi hind: EUR

13. Metallipulbrite tootmismahud

14. Pulbermetallurgia eelised, konstruktsioonimaterjalid
Konkureerib protsessidega – valamine, sepistamine;
Väikesed pinnakareduse näitajad
Võimalus toota väikeseid ning kompleksse kujuga detaile
Väike jäätmete osakaal (materjalide kasutamise tegur 95…97%)
Energia kokkuhoid (50…80%). Madalamad temperatuurid, operatsioonide väike arv.

16. Tootmishind ühiku kohta

17. Näide:
Veoauto käigukasti
segment

18. Pulbermetallurgia tööstus

19. Pulbermetallurgia tööstus

20. Keskmises autos on ~15 kg pulbermetallurgia teel valmistatud osi
Kasv ~6% aastas

21. Tehnoloogiate võrdlus
Sobivus erinevatele valmistusmeetoditele
Fe baasil

22. Tehnoloogiate võrdlus
Sobivus erinevatele valmistusmeetoditele
Al, Mg
baasil

23. Tehnoloogiate võrdlus
Sobivus erinevatele valmistusmeetoditele
Teised

24. Tehnoloogiate võrdlus
Kujuvabadus

25. Tehnoloogiate võrdlus
Detaili mõõtmed

26. Tehnoloogiate võrdlus
Pinnakaredus

27. Tehnoloogiate võrdlus
Tolerantsid

28. Tehnoloogiate võrdlus
Tootmisvahendite hinnavõrdlus

29. Tehnoloogiate võrdlus
Partii suurused

30. Automootori osad Sinter-joined idler sprocket for engines
(Nissan Motor and Hitachi Powdered Metals
                                       VTEC system and P/M camshaft
(Honda Motor and Nippon Piston Ring)
P/M small gears for ETC system
of direct gasoline injection engines
(Fukui Sinter)
                          High-strength sintered and forged
connecting-rod (Toyota Motor
                                P/M valve seat inserts and valve guides
of automobile engines (Nissan Motor)
P/M bearing cap of crankshaft
(made by Zenith sinter products for
General Motors)

31. Käigukasti osad Kere jm.
P/M aluminum rotor for car air
conditioner (Sumitomo Electric Industries)
P/M hub-synchro eliminated
machining (Jatco Trans Technology
P/M sensor rotor for ABS (made by Jatco Trans Technology for Nissan Motor
Warm compacted synchro-rings (Nippon Piston Ring)
P/M hub-turbine developed using multi-die and tool system (Sumitomo Electric)
P/M elinber alloy for angle velocity sensor of 4WS automobiles (Denso and Mitubishi Materials
Bi-metallic magnetic pole piece (Zenith Sintered Products, Delphi Saginaw Steering System, General Motor)

32. Pulbermetallurgia

33. Pulbermetallurgia suunad, konstruktsioonimaterjalid

34. Pulbermetallurgia puudused, konstruktsioonmaterjalid
Detaili suurus – miniatuurne…maks. 20 kg
Pulbermaterjalide madalamad mehaanilised omadused (2…3 korda)
Pulbrite suhteliselt kõrge hind
Pressvormide kõrge maksumus – sobib ainult masstootmiseks (partii vähemalt … )

35. Pulbermetallurgia, eriomadustega materjalid
Materjalid, mida teiste moodustega on keeruline valmistada
Poorsed laagrid, filtrid
Väga kõrge sulamistemperatuuriga – W, WC-Co
Väga kõrgelt legeeritud materjalid
Liiga kõvad materjalid, et lõiketöödelda
Sulamisel tekib reaktsioon
On vaja sobitada omaduselt väga erinevaid materjale (Cu-W, Al-SiC, Teemant – Al2O3)

36. Kõvasulamid

37. PM tehnoloogiline skeem
Pulbrite valmistamine
Pulbrite ettevalmistamine
vormimiseks
Pulbrite vormimine
(pressimine)
Paagutamine
Täiendav töötlemine

38. PM tehnoloogiline skeem

39. PM tehnoloogiline skeem

40. „Tulevikutehnoloogiad“
Metallide 3D printimine